開關(guān)電源在安全級DCS中的應用失效研究

摘" 要：針對國產(chǎn)化安全級DCS平臺的模擬量調(diào)理模塊研制過程中，某型國產(chǎn)反激式開關(guān)電源曾多次偶發(fā)輸入端短路失效問題。對該電源內(nèi)部原理進行剖析，建立故障仿真模型。結(jié)合安全級DCS的實際應用場景，對該故障進行定位，明確國產(chǎn)某型反激式開關(guān)電源的失效機理，并給出對應的改進優(yōu)化設(shè)計，有效提升國產(chǎn)化安全級DCS平臺的可靠性及安全性。

關(guān)鍵詞：安全級DCS；模擬量調(diào)理模塊；反激式開關(guān)電源；故障仿真模型；失效機理

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0105-05

Abstract： The input of a type of domestic flyback switching power supply has suffered several accidental short-circuit failure when this power supply is operating in the analog quantity conditioning module of the domestic safety level DCS platform. The internal principle of the power supply is analyzed， and a fault simulation model is established. This fault was located by combining the practical application scenarios of safety level DCS. The failure mechanism of this type of domestic flyback switching power supply was defined， and improved and optimized solutions was designed， thus the reliability and safety of the domestic safety level DCS platform are improved effectively.

Keywords： Safety Level DCS; analog quantity conditioning module; flyback switching power supply; fault simulation model; failure mechanism

模擬量調(diào)理模塊是國產(chǎn)化安全級DCS平臺的重要組成部分，主要功能是實現(xiàn)核電現(xiàn)場0層設(shè)備變送器儀表的電流信號的隔離和分配，其隔離分配后的電流信號不僅需要參與反應堆保護功能，同時還需參與PAMS參數(shù)記錄以及非安系統(tǒng)的控制功能，該模塊的可靠性及安全性是確保核電站安全運行的重要環(huán)節(jié)[1-4]。

在國產(chǎn)化安全級DCS平臺研制過程中，模擬量調(diào)理模塊選用了國內(nèi)某廠家的反激式開關(guān)電源為現(xiàn)場二線制變送器提供24 V直流電源，該型國產(chǎn)反激式開關(guān)電源在研制及測試過程中，偶發(fā)輸入端短路失效問題。本文對該型國產(chǎn)電源內(nèi)部原理進行了剖析，通過建立故障仿真模型，結(jié)合安全級DCS的實際應用場景，對該故障進行了定位，明確了國產(chǎn)電源的失效機理，并對廠家提供的參考電路進行了優(yōu)化設(shè)計，有效提高了100%基于國產(chǎn)器件的安全級DCS平臺的運行可靠性及安全性。

1" 國產(chǎn)隔離電源異常問題分析

1.1" 國產(chǎn)化模擬量調(diào)理模塊設(shè)計方案

國產(chǎn)化模擬量調(diào)理模塊輸入1路4～20 mA電流信號，通過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號通過隔離放大器進行隔離和分配，轉(zhuǎn)換為4路電壓輸出，4路電壓再通過V/I變換為4～20 mA電流信號輸出。供電采用外部冗余供電，具有熱插拔和過壓保護功能，該模塊能夠為外部變送器提供24 V直流電源，兼容二線制、四線制變送器。模塊輸入通道與輸出通道隔離，輸出通道之間相互隔離。電源和通道具有指示燈，可以指示電源和通道的狀態(tài)。總體設(shè)計方案如圖1所示。

1.2" 失效背景

國產(chǎn)化安全級DCS系統(tǒng)中的模擬量調(diào)理模塊設(shè)計中，使用國產(chǎn)某型反激式開關(guān)電源為現(xiàn)場二線制變送器提供隔離電源，該電源輸入電壓范圍為18～36 V，可支持最大40 V電壓輸入，輸出電壓24 V，功率為1 W，開關(guān)頻率為200 kHz，平均無故障時間大于100萬h，輸入對輸出的絕緣電壓大于1 500 VDC，工作溫度范圍-40～+85 ℃，該國產(chǎn)反激式開關(guān)電源滿足應用設(shè)計要求。

在調(diào)試過程中，在模擬量調(diào)理模塊的輸入端接特穩(wěn)攜式校驗儀，設(shè)置為二線制電流源模式，輸出端接特穩(wěn)攜式校驗儀，設(shè)置為電流測量模式。在上述正常配置調(diào)試的過程中，該模擬量調(diào)理模塊的故障表現(xiàn)為上電時面板指示燈閃爍一次后熄滅，隨后經(jīng)過一段時間后又閃爍一次并熄滅，并周期性循環(huán)該過程，整個過程中無輸出信號。經(jīng)確認，該現(xiàn)象為該國產(chǎn)反激式開關(guān)電源輸入端短路導致熱插拔電路過流觸發(fā)保護動作。將損壞的國產(chǎn)某型反激式隔離電源進行DPA檢測分析，分析結(jié)果表明：主回路上的開關(guān)MOS管擊穿燒毀，導致樣品輸出異常。

1.3" 故障樹分析

針對上述國產(chǎn)某型反激式開關(guān)電源故障引發(fā)的模塊異常，建立故障樹[5-8]如圖2所示。

結(jié)合MOS擊穿的機理，重點針對高風險S1、S3、S7、S9、S12分析。

S1：內(nèi)部硬件故障，指電源模塊存在多余物、焊裝異常等造成電源模塊失效。經(jīng)開封、內(nèi)部目檢及X射線檢測后，板上電容器、電阻器等外觀均未見過電燒毀或機械損傷，焊點未見開裂、虛焊，板上互連正常，不同引腳之間未見異物橋連。如圖3—圖5所示。

S3：輸入限流，指在隔離電源上電階段，由于前端熱插拔電路限流，導致隔離電源狀態(tài)異常的情況。利用臺式電源限流功能，使隔離電源處于不穩(wěn)定上電狀態(tài)，測試隔離電源內(nèi)部的MOS管VDS電壓，實測最大尖峰峰值為70 V，該尖峰不足以擊穿MOS管（廠家反饋VDS耐壓為100 V）。

S7：濾波器諧振，指隔離電源前端的π型濾波器輸出端存在諧振產(chǎn)生尖峰。對電源模塊上電過程進行實測，實測結(jié)果表明濾波器輸出電壓平穩(wěn)。在電源模塊開始斬波之后，濾波器輸出電壓存在毛刺，但峰值并未超過30 V，因此排除該事件。

S9：過載啟動，指在電源啟動前，輸出側(cè)處于過載狀態(tài)。如將輸出二線進行短接，模擬工程中的最惡劣情況，短時功率可達到11.52 W，是額定功率的1 152%，該條件為研發(fā)調(diào)試現(xiàn)場接線最惡劣的情況之一。對該短路條件下的模塊進行上電，并測試隔離電源內(nèi)部MOS管的VDS電壓，實測上電至穩(wěn)定的階段，其最大的尖峰峰值為60 V，未達到MOS管100 V的擊穿條件。

S12：其他因素，指電源本身設(shè)計缺陷或其他原因?qū)е碌碾娫垂收?。所用的特穩(wěn)攜式校驗儀設(shè)備存在有源及無源2種工作模式，當特穩(wěn)攜式校驗儀處于“mA源”（有源模式）時，模式切換開關(guān)閉合，處于“模擬變送器”（無源模式）時，模式切換開關(guān)斷開[9]。結(jié)合實際的設(shè)計電路簡化模型，忽略二極管器件，可得到2種模式下的等效通路，分別如圖6和圖7所示。

圖6為正常應用條件，回路中僅有一個電源。而圖7中為非正常應用條件，特穩(wěn)攜式校驗儀的24 V電源和變送器電源處于串聯(lián)關(guān)系，可能對隔離電源存在影響。結(jié)合開封后的實際電路設(shè)計，該電源為輸出端帶LC濾波的單端反激式隔離電源電路，等效簡化模型如圖8所示[10]。

電源輸出端外圍器件主要有Cs電容和Co電容，其中Co電容為輸出電容，起通用濾波作用，根據(jù)手冊建議取10 μF；Cs電容被稱為紋波電容，根據(jù)手冊電容取10 μF。Cs電容主要作用是加強濾波效果，可以和輸出電感L、輸出電容Co共同構(gòu)成π型濾波電路，該電容為非必須電容，若不焊接該電容，則輸出濾波主要特性退化為LC型濾波。

參考圖8所示，灰色虛線表示在上電前，特穩(wěn)攜式校驗儀所產(chǎn)生的驅(qū)動電流回路，此時由于電源模塊存在二極管，因此Cs電容實際等效電壓為-0.5 V。

上電后的通路示意圖如圖9所示，反激變換器的能量傳遞為異步工作，經(jīng)歷過程為：原邊導通—反激變壓器原邊儲能—原邊關(guān)斷—反激變壓器副邊釋能[11]。該電源為PWM或PFM的穩(wěn)壓電源，原邊MOS管的導通時間由副邊反饋電壓決定。而當串入特穩(wěn)攜式校驗儀后，將Cs電容充到-0.5 V附近，而該電源采用線性光耦反饋輸出端電壓，當Cs被施加了負電壓后，線性光耦反饋環(huán)節(jié)處于失效狀態(tài)。只有當Cs電容充到正電壓以上，反饋光耦導通，此時反饋才有效。而由于反饋中的積分作用，若在一定周期內(nèi)沒有將Cs充到正電壓，那么反饋作用會進一步加深，原邊電流會進一步增大。因此，若MOS管能在啟動初期通過反激變換器把能量傳遞到副邊從而給Cs電容充到正電，則電路成功啟動；反之則有可能因原邊電流過大導致MOS管失效。而Cs電容的容值會影響充電時間，容值越大，則對應充到正電時間越長，原邊電流就越大。在反饋沒有正確建立的情況下，驅(qū)動頻率過低、占空比過大均可造成原邊電流過大。因此，S12事件無法排除。

2" 仿真驗證及優(yōu)化

2.1" 仿真驗證

為驗證頻率、PWM對于原邊驅(qū)動電流造成的影響，參考廠家提供的電路參數(shù)，通過MULTISIM建立反激變換器開環(huán)仿真電路[12]，電路結(jié)構(gòu)如圖10所示，設(shè)定反激變換器原邊電感為50 μH，漏感取0.1 μH。

固定占空比為50%的條件下，分別設(shè)置開關(guān)頻率為50、100、200以及300 kHz，當頻率為50 kHz的條件下，其過壓尖峰VDS為111.749 V，原邊電流Ip為4.735 A。仿真結(jié)果如圖11所示。

固定開關(guān)頻率為200 kHz的條件下，分別設(shè)置占空比為50%、60%、70%以及80%，當占空比為80%的條件下，其過壓尖峰VDS為116.07 V，原邊電流Ip為5.495 A。仿真結(jié)果如圖12所示。

仿真結(jié)果表明，控制環(huán)路產(chǎn)生的MOS管的驅(qū)動頻率、PWM對于原邊驅(qū)動電流有較大影響，在控制環(huán)路失效的情況下會使原邊電流、關(guān)斷尖峰同時增大。根據(jù)廠家反饋，該款電源的原邊MOS管的耐壓值為100 V，當VDS尖峰電壓超過100 V時，將擊穿MOS管，導致故障。

2.2" 故障復現(xiàn)

基于本文的理論分析和仿真驗證，對該損壞機理進行電路實物驗證：

1）按照二線制進行接線，輸出端接特穩(wěn)攜式校驗儀，特穩(wěn)攜式校驗儀工作于有源模式，測量上電過程輸入、輸出端電壓波形。該條件下，電源發(fā)生故障，上電失敗，輸出電壓沒有任何波動。因原邊短路，在上電約100 ms后，熱插拔保護生效，將24 V輸入切斷，此時面板指示燈全部熄滅。在該條件下試驗20余次，均引發(fā)故障，復現(xiàn)率100%。

2）將國產(chǎn)某型反激式隔離電源的推薦的Cs電容由10 μF減小到1 μF，其余條件不變，上電成功。

3）拆除國產(chǎn)某型反激式隔離電源的推薦Cs電容，其余條件不變，上電成功。

4）將單獨的電源模塊與特穩(wěn)攜式校驗儀、電阻串接進行實驗。經(jīng)過多次實驗，確認在這個回路下，上電后電源器件損壞。減小Cs電容至1 μF或拆除Cs電容后，電源正常工作。

5）將國產(chǎn)某型反激式隔離電源更換為國產(chǎn)某型推挽式隔離電源，將單獨的電源模塊與特穩(wěn)攜式校驗儀、電阻串接進行實驗。經(jīng)過多次實驗，電源可正常工作。

電路實物驗證表明：模擬量調(diào)理模塊工作在二線制模式下，外接“mA源”的工況下，該模塊中的國產(chǎn)某型反激式電源上電會損壞，損壞機理為隔離電源原邊尖峰擊穿。

2.3" 電路優(yōu)化措施

1）根據(jù)機理分析、實驗結(jié)果，取消廠家推薦的Cs電容可解決該問題。經(jīng)咨詢原廠，該Cs電源主要作用為加強濾波效果，可以與電源本體中的L、C共同構(gòu)成π型濾波電路，該電容為非必須電容，若不焊接該電容，則輸出濾波主要特性退化為LC型濾波。本設(shè)計中，該電源為二線制變送器的恒流源供電，LC型濾波即可滿足設(shè)計需求。

2）針對安全級DCS應用場景，涉及板載電源給現(xiàn)場設(shè)備供電的情況，如二線制變送器、濕觸點等供電，應慎用反激式隔離電源。

3" 結(jié)束語

本文針對國產(chǎn)化安全級DCS系統(tǒng)中的模擬量調(diào)理模塊中的開關(guān)電源在研制調(diào)試過程中的失效問題，開展了全面的機理分析、仿真驗證及電路測試驗證工作，準確定位了故障原因。結(jié)合安全級DCS的實際應用場景，對廠家推薦的外圍電路設(shè)計進行了優(yōu)化，有效保障了安全級DCS系統(tǒng)全國產(chǎn)化后的功能性能，降低了后續(xù)國產(chǎn)化安全級DCS系統(tǒng)應用供貨的技術(shù)風險。

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